600 MW汽輪發(fā)電機組扭振損壞原因淺析

李偉清

(遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

1 發(fā)電機組扭振損壞過程監(jiān)測及檢查

伊敏電廠裝有2臺500 MW及2臺600 MW汽輪發(fā)電機組，經(jīng)兩回裝有固定與可控串聯(lián)電容補償?shù)?00 kV輸電線路與北部電網(wǎng)連接，采用4機2線的連接方式。

與次同步振蕩 (SSO)損壞有關(guān)的3號汽輪發(fā)電機組為亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸(高中壓合缸)、四排汽、凝汽式汽輪機，型號為N600－16.7/538/538，發(fā)電機為 QFSN－600－2YHG型，水氫氫冷卻方式。機組軸系分布見圖1。

圖1 機組軸系分布

該機組裝有CSC－812型扭振保護 (TSR)及監(jiān)測分析系統(tǒng) (TSA)。

3號機組于2007年11月1日啟動試運時，曾發(fā)生過3號主變低壓側(cè)A相著火 (A、C相間短路)的事故，造成A相低壓套管崩裂、相連的封閉母線燒損、變壓器油箱外脹變形。抽出發(fā)電機轉(zhuǎn)子檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子阻尼繞組與本體表面有多處過熱燒損。該機組于2007年12月5日，經(jīng)過168 h試運行后正式并網(wǎng)運行，至2008年5月9日停機檢查期間，啟機、停機各8次，累計運行2 880 h。2008年3月5日，3號、4號機組的TSR和TSA均監(jiān)測到軸系扭振，TSR啟動并報警。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控裝置顯示及錄波分析，具有以下特點。

a． 此次振蕩激發(fā)的模態(tài)分量主要是模態(tài)2，即21.33 Hz分量，其余分量 (制造廠提供，模態(tài)1為12.506 8 Hz，模態(tài)3為25.702 2 Hz，模態(tài)4為84.737 3 Hz)均很小。

b． 分析3號發(fā)電機機端電流，三相中都出現(xiàn)明顯的28.7 Hz分量，與3號機組模態(tài)2即21.33 Hz分量之和為50.04 Hz，正好構(gòu)成互補頻率，說明是一次典型的機電諧振過程。

c． 離線分析調(diào)取的TSR錄波圖，TSR記錄的機頭及機尾模態(tài)有效值分別約為0.3和0.5(整定的啟動門檻值為0.2，理論分析模態(tài)2有效值達0.77，會對低發(fā)軸承造成疲勞損傷)，軸系各危險截面的疲勞累積值均為零，但振蕩值持續(xù)不衰減。

d． 500 kV線路固定串補退出后，諧振分量幅值明顯減小。

將3號發(fā)電機轉(zhuǎn)子運至制造廠取下聯(lián)軸器后檢查，在聯(lián)軸器上共發(fā)現(xiàn)10條宏觀裂紋，裂紋皆通過鍵槽頂端，多呈X形;在轉(zhuǎn)子主軸上發(fā)現(xiàn)了4條裂紋，其中2條宏觀裂紋 (1條長250 mm，深約150 mm;另1條長約150 mm，深280 mm)，且皆通過鍵槽，宏觀上沿45°方向擴展。聯(lián)軸器的8根圓鍵表面無擠壓痕跡，但聯(lián)軸器鍵槽表面加工粗糙，溝痕較多，特別是頂端圓柱面部位。據(jù)此，3號發(fā)電機轉(zhuǎn)軸確定報廢。圖2為發(fā)電機側(cè)聯(lián)軸器及轉(zhuǎn)軸的局部裂紋。

圖2 發(fā)電機側(cè)聯(lián)軸器及轉(zhuǎn)軸裂紋外觀

2 遭損毀的發(fā)電機轉(zhuǎn)軸及聯(lián)軸器機械應(yīng)力分析

事故發(fā)生后，經(jīng)過對轉(zhuǎn)軸及網(wǎng)機關(guān)系的研究分析，認為聯(lián)軸器與主軸裂紋均為多源疲勞裂紋，是在疲勞應(yīng)力超過其疲勞承載能力的條件下形成的。

a． 裂紋先于主軸中裂紋，形成于鍵槽頂端與主軸接觸表面，受聯(lián)軸器與主軸接觸面摩擦傳遞的工作扭力、圓鍵傳遞的工作扭力、由過盈配合形成的持續(xù)張力疊加后的工作扭力3種應(yīng)力共同作用，裂紋呈 X形，是受到雙向扭轉(zhuǎn)疲勞應(yīng)力作用的結(jié)果。

b． 主軸裂紋形成于鍵槽圓柱面與球形拱頂面的交界線上，是圓鍵施加于主軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力最大和產(chǎn)生應(yīng)力最集中的區(qū)域。主軸裂紋擴展方向主要受工作扭力的控制。

c． 發(fā)電機的聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子大軸裝配應(yīng)力偏高且高度集中，最大應(yīng)力值對過盈量敏感。

d． 兩相短路時，聯(lián)軸器及轉(zhuǎn)子大軸的應(yīng)力很大，可能為這些部件產(chǎn)生初始裂紋的主要原因。3號發(fā)電機自2007年11月發(fā)生兩相短路事故后，機組7號瓦振動幅值一直處于103.7～126.3μm，進行500 kV線路可控串補投退試驗時，振幅達130.7～113.6μm，亦可說明初始裂紋可能已產(chǎn)生。

e． 機組軸系發(fā)生SSO時，應(yīng)力值比正常運行工況明顯升高，且為交變應(yīng)力，可造成轉(zhuǎn)軸和聯(lián)軸器的疲勞失效。

3 抑制扭振的措施

伊敏電廠3號汽輪發(fā)電機組運行時間較短、啟停次數(shù)較少，發(fā)電機轉(zhuǎn)子及聯(lián)軸器過早產(chǎn)生裂紋可能是多種因素綜合作用的結(jié)果，如聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)軸存在較大的裝配應(yīng)力、發(fā)電機曾發(fā)生過兩相短路事故、網(wǎng)機交互作用在機組軸系形成SSO等。

我國輸電線路采用串聯(lián)電容補償后，在一定電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行條件下，有時可能會產(chǎn)生次同步諧振(SSR)或SSO。國內(nèi)外的一些SSR故障事例表明，當前世界范圍內(nèi)，發(fā)電機轉(zhuǎn)子及機組軸系的設(shè)計結(jié)構(gòu)強度均承受不了這種巨大機電諧振力的振蕩沖擊，從而導(dǎo)致?lián)p毀。因此必須采取措施抑制或消除扭振，除在電網(wǎng)設(shè)計及電源規(guī)劃中避開由制造部門提供的機組軸系各階扭振固有頻率外，電機制造部門應(yīng)提供可靠的軸系扭轉(zhuǎn)疲勞壽命曲線 (S－N曲線)，并據(jù)此設(shè)置扭振保護配置及相應(yīng)的保護定值。

目前采取的抑制或消除產(chǎn)生SSO的措施，除采用可控串補外主要有:靜態(tài)阻波器 (串接于主變中性點或出線端，對扭振起阻尼作用，即諧振發(fā)生時，相對應(yīng)模式的阻抗變大，阻止諧振的電流增大，從而抑制扭振的發(fā)生)、附加勵磁阻尼器 (或稱勵磁系統(tǒng)衰減器)、SSO抑制器等。同時還可裝設(shè)TSR和TSA;發(fā)電機運行中扭振出現(xiàn)時進行報警和分析，扭振功率超過S－N曲線的功率極限時能啟動切機保護進行切機。

4 結(jié)論

a． 制造部門應(yīng)提高發(fā)電機組轉(zhuǎn)軸及聯(lián)軸器制造和加工工藝水平，消除裝配后的局部應(yīng)力集中，避免對這些部件造成危害。大量事故調(diào)查及試驗研究表明，疲勞源常出現(xiàn)在應(yīng)力集中的部位，應(yīng)力集中會使疲勞強度大大降低。在循環(huán)應(yīng)力作用下，應(yīng)力集中部位可能由最初產(chǎn)生的微觀裂紋逐漸擴展成為宏觀裂紋，最終導(dǎo)致部件斷裂。

b． 大量的發(fā)電機定子端部短路事故實例及計算結(jié)果表明，偶發(fā)性的兩相或三相短路事故，并不會導(dǎo)致完好轉(zhuǎn)軸或聯(lián)軸器疲勞壽命的終結(jié)——產(chǎn)生裂紋。如1997年11月元寶山電廠1臺600 MW汽輪發(fā)電機組 (與伊敏電廠3號發(fā)電機相同)，在試運中因主變低壓側(cè)起火導(dǎo)致A、C兩相短路事故(與伊敏電廠3號發(fā)電機兩相短路事故極為相似)后，經(jīng)過對轉(zhuǎn)子本體、轉(zhuǎn)軸、低發(fā)聯(lián)軸器進行金屬探傷檢查，并未發(fā)現(xiàn)裂紋，迄今已安全運行15年。當年元寶山電廠的兩回500 kV出線未裝串聯(lián)電容補償裝置，而伊敏電廠3號發(fā)電機發(fā)生兩相短路時，兩回500 kV出線的可控串聯(lián)電容補償裝置亦未投入，二者情況完全相同。說明轉(zhuǎn)軸如不存在加工及裝配缺陷，應(yīng)能承受有限次數(shù)的偶發(fā)性出口短路事故，但事故后必須及時檢查。

c． 伊敏電廠3號發(fā)電機器轉(zhuǎn)軸及聯(lián)軸器的可能損壞原因:由于制造加工和裝配時的工藝缺陷造成轉(zhuǎn)軸及聯(lián)軸器裝配應(yīng)力過高并產(chǎn)生局部應(yīng)力集中區(qū)，發(fā)電機發(fā)生兩相短路時，在強大電磁應(yīng)力作用下在局部應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生了初始裂紋 (發(fā)電機出口發(fā)生兩相短路后的歷次啟動中，7號瓦振動幅值一直居高不下，可見裂紋已出現(xiàn))，最后由網(wǎng)機交互作用發(fā)生SSO時，循環(huán)交變應(yīng)力加速了裂紋的形成和擴展，最終造成轉(zhuǎn)軸和聯(lián)軸器的疲勞失效并報廢。

［1］ 李偉清．汽輪發(fā)電機組故障檢查分析及預(yù)防 (第二版)［M］．北京:中國電力出版社，2010．

［2］ P.M.Anderson．電力系統(tǒng)串聯(lián)補償［M］．北京:中國電力出版社，2008．

［3］ Joyce，Lambrecht．Status of evaluating the fitigue of large turbine-generators caused by electrical disturbances［C］，IEEE PAS －99，Nol，Jan/Feb，1980．

［4］ Group 11(RotatingMachines)Discussion．CIGRE 1982 Session［R］ Report11－01，11－08，11－09．